technique
Sommario: Il proliferare e lo sviluppo, negli ultimi decenni, tanto dei paradigmi protocollari quanto dei sistemi elettronici a supporto delle comunicazioni wireless ha portato le diverse linee di ricerca del settore ad esplorare continuamente alternative per ovviare ai problemi legati all’infrastruttura, alla licenza o ai costi implementativi e della manutenzione. Nell’ambito delle reti ottiche sono state recentemente avanzate soluzioni integrative con l’attuale assetto in pianta stabile: ad esempio, segmenti della rete che sfruttano tecnologie ibride, nei quali si alternano la fibra e i collegamenti ottici in spazio libero (Free Space Optics – FSO), nella porzione di spettro dell’infrarosso e in rapporto di visibilità diretta. Nel presente articolo verrà illustrata una tecnica di comunicazione a corto raggio già nota in letteratura come UV-C (Ultraviolet Communication), che è possibile dispiegare anche nella configurazione Non-LOS (Non-Line-Of-Sight): se ne argomenteranno vantaggi e svantaggi, potenzialità e applicazioni nell’attuale panorama delle telecomunicazioni.
Abstract: The proliferation and development, in the last decades, of both protocol paradigms and electronic systems supporting wireless communications has led the various lines of ICT (Information and Communications Technology) research to continuously explore options to solve the problems related to infrastructure, license and implementation or maintenance costs. Under the sphere of optical networks, solutions integrating in the current established layout have been recently promoted: e.g., segments of the network that exploit hybrid technologies, where fiber and Free Space Optics (FSO) links alternate, in the portion of Infrared spectrum and in Line-Of-Sight (LOS) configuration. In the present paper a short-range communication technique well-known in literature as UV-C (Ultraviolet Communication), which can be also deployed in Non-LOS configuration is shown: its pros and cons, potentials and applications in the today telecommunications scenario are discussed.
Dario De Leonardis
Ricercatore dell’Università Sapienza di Roma presso Istituto Superiore delle Comunicazioni e delle Tecnologie
dell’Informazione – ISCOM
Frank Silvio Marzano, Saverio Mori Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, Elettronica e Telecomunicazioni de La Sapienza di Roma Silvia Di Bartolo, Vincenzo Attanasio
Istituto Superiore delle Comunicazioni e delle Tecnologie
dell’Informazione – ISCOM
1. Introduzione
Le comunicazioni ottiche in spazio libero (note sotto l’acronimo FSO: Free Space Optics) vengono usualmente impiegate laddove, per
meglio distribuire traffico e risorse di rete, si rendono necessari
collegamenti punto-punto ad alto data-rate che possano raggiungere anche distanze di diversi chilometri. Rispetto alla controparte in RF (Radio Frequenza), un collegamento FSO garantisce maggiore disponibilità di banda (la porzione di spettro superiore ai 300 GHz non è sottoposta a licenza), sicurezza interna, robustezza all’interferenza da campi elettromagnetici esterni e quel confinamento spaziale il quale consentirebbe un alto fattore di riuso nelle reti cellulari. Tali sistemi di comunicazione gravitano idealmente intorno alle zone periferiche della rete, se non direttamente lungo il perimetro che la circoscrive, in collegamenti puntuali tra nodi del backhaul come nell’ultimo miglio, per semplificare l’accesso all’infrastruttura in fibra senza ridurre le prestazioni di carico. Le applicazioni FSO spaziano dalla connessione di reti locali all’interno di aziende o campus universitari al backhaul per sistemi cellulari, dalle connessioni per il recupero dati in stato di emergenza (disaster recovery) alla sicurezza di enti civili e statali come in reti temporanee occasionalmente dispiegate per funzioni militari [1].
2. Tecnologia UV-C
Nell’ambito FSO, le comunicazioni nell’ultravioletto (UV-C) occupano attualmente un posto non meno rilevante di quello riservato all’infrarosso. Infatti, all’interno dell’intera banda dell’ultravioletto (4-400 nm), UV-C sfrutta la porzione compresa tra i 200 e 280 nm, che è solar-blind [2] per i collegamenti di terra, rendendosi di fatto trascurabile la radiazione solare, a causa dell’assorbimento da ozono negli strati più alti dell’atmosfera: il che incoraggia l’impiego di un photo-detector ad ampio campo-visuale (Field-Of-View - FOV), in grado di incrementare l’energia ricevuta a fronte di un minore rumore di fondo. Inoltre, a queste lunghezze d’onda, il fenomeno di diffusione (scattering) dovuto all’interazione tra i fotoni e le molecole o altre particelle di diametro maggiore come quelle del pulviscolo atmosferico (aerosols), è molto pronunciato e un’alta percentuale di energia viene diffusa nello spazio senza alcuna correlazione con l’angolo d’incidenza del raggio sulla particella (è in altri termini buona approssimazione del fenomeno una funzione isotropica), generando diversi percorsi di comunicazione tra la sorgente e il destinatario. Di conseguenza, tanto i
collegamenti Non-LOS quanto quelli LOS possono essere implementati in un sistema di comunicazione nell’ultravioletto (Fig. 1).
D’altro canto, la significativa percentuale di assorbimento atmosferico in questa banda, pur limitando il raggio di copertura della comunicazione, permette una più agevole gestione dell’accesso multiplo, riducendo l’interferenza multi-user. Ma occorre ricordare che la potenza di trasmissione di tali tecnologie deve essere ulteriormente temperata rispetto ai limiti di esposizione per gli occhi e la pelle, previsti dall’ ICNIRP [3] (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) e dall’IEC [4] (International Electrotechnical Commission). Nella banda di operatività dell’UV-C (tra i 200 e i 280 nm) l’esposizione continua minima permessa nell’intervallo d’un secondo
corrisponde a un livello di 3 mJ/cm2 alla lunghezza d’onda di 270 nm,
ma sale a 100 mJ/cm2 in corrispondenza dei 200 nm mentre finisce per
attestarsi intorno ai 3,4 mJ/cm2 muovendo verso i 280 nm [5].
Oltretutto, il NIOSH [6] (National Institute for Occupational Safety and Health) prescrive che la durata dell'esposizione ad una intensità di 100
µW/cm2 su una lunghezza d'onda di 254 nm non ecceda il minuto. Se si
media sulle otto ore di una giornata lavorativa, il valore diviene 0.2
µW/cm2. Tuttavia, anche per una sorgente ottica UV ad ampio spettro
(broad-band) è possibile fornire una relazione esemplare, come quella
che vede a confronto l'Irradianza Effettiva (W/m2) e la Massima
Esposizione Ammissibile (MPE: Maximum Permissible Exposure), ovvero il parametro che definisce la massima durata d'esposizione ad
Figura 1. Collegamenti ottici LOS (a) e Non-LOS (b).
una radiazione UV perché il suo impatto possa essere ritenuto non dannoso (Tab. 1).